c语言实现编程实现请求分页存储管理页面Optimal、FIFO、LRU置换算法

时间: 2023-08-05 08:05:33 浏览: 21
好的,下面是C语言实现请求分页存储管理页面Optimal、FIFO、LRU置换算法的代码示例: 1. Optimal算法 ```c #include <stdio.h> int optimal(int pages[], int n, int frames) { int page_faults = 0; int page_frames[frames]; int next_use[frames]; for (int i = 0; i < frames; i++) { page_frames[i] = -1; next_use[i] = n; } for (int i = 0; i < n; i++) { int j; for (j = 0; j < frames; j++) { if (page_frames[j] == pages[i]) { next_use[j] = i; break; } } if (j == frames) { int farthest = 0; for (int k = 1; k < frames; k++) { if (next_use[k] > next_use[farthest]) farthest = k; } page_frames[farthest] = pages[i]; next_use[farthest] = i; page_faults++; } } return page_faults; } int main() { int pages[] = { 1, 3, 0, 3, 5, 6, 3 }; int n = sizeof(pages)/sizeof(pages[0]); int frames = 3; int page_faults = optimal(pages, n, frames); printf("Optimal: %d\n", page_faults); return 0; } ``` 2. FIFO算法 ```c #include <stdio.h> int fifo(int pages[], int n, int frames) { int page_faults = 0; int page_frames[frames]; int queue[frames]; int front = 0, rear = 0; for (int i = 0; i < frames; i++) { page_frames[i] = -1; queue[i] = -1; } for (int i = 0; i < n; i++) { int j; for (j = 0; j < frames; j++) { if (page_frames[j] == pages[i]) break; } if (j == frames) { if (page_frames[rear] != -1) { int old_page = queue[front++]; front %= frames; for (int k = 0; k < frames; k++) { if (page_frames[k] == old_page) { page_frames[k] = pages[i]; break; } } } else { page_frames[rear++] = pages[i]; rear %= frames; } queue[rear] = pages[i]; page_faults++; } } return page_faults; } int main() { int pages[] = { 1, 3, 0, 3, 5, 6, 3 }; int n = sizeof(pages)/sizeof(pages[0]); int frames = 3; int page_faults = fifo(pages, n, frames); printf("FIFO: %d\n", page_faults); return 0; } ``` 3. LRU算法 ```c #include <stdio.h> int lru(int pages[], int n, int frames) { int page_faults = 0; int page_frames[frames]; int next_use[frames]; for (int i = 0; i < frames; i++) { page_frames[i] = -1; next_use[i] = n; } for (int i = 0; i < n; i++) { int j; for (j = 0; j < frames; j++) { if (page_frames[j] == pages[i]) { next_use[j] = i; break; } } if (j == frames) { int farthest = 0; for (int k = 1; k < frames; k++) { if (next_use[k] > next_use[farthest]) farthest = k; } page_frames[farthest] = pages[i]; next_use[farthest] = i; page_faults++; } } return page_faults; } int main() { int pages[] = { 1, 3, 0, 3, 5, 6, 3 }; int n = sizeof(pages)/sizeof(pages[0]); int frames = 3; int page_faults = lru(pages, n, frames); printf("LRU: %d\n", page_faults); return 0; } ``` 以上是C语言实现请求分页存储管理页面Optimal、FIFO、LRU置换算法的代码示例。

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好的,我可以为您解答这个问题。 首先,请求分页存储管理是指将一个进程所需的所有页面分为若干个固定大小的块,每个块称为一页,再将这些页调入内存中,以满足进程运行的需要。当内存中的页不足时,需要进行页面置换算法。 常用的页面置换算法有Optimal、FIFO、LRU三种。 下面是这三种算法的简单实现: 1. Optimal算法 Optimal算法是一种理论上最优秀的页面置换算法,它选择在未来最长时间内不再被访问的页面进行置换。 实现思路: (1)对于每个内存块,预测它在未来的访问情况。 (2)选择未来最长时间内不再被访问的页面进行置换。 代码实现: python def optimal(pages, frames): page_faults = 0 page_frames = [None] * frames next_use = [0] * frames for i in range(len(pages)): if pages[i] not in page_frames: if None in page_frames: page_frames[page_frames.index(None)] = pages[i] else: farthest = max(j for j in range(len(page_frames)), key=lambda k: next_use[k]) page_frames[farthest] = pages[i] page_faults += 1 next_use[page_frames.index(pages[i])] = max(j for j in range(i, len(pages)) if pages[j] == pages[i]) if pages[i] in pages[i+1:] else len(pages) else: next_use[page_frames.index(pages[i])] = max(j for j in range(i, len(pages)) if pages[j] == pages[i]) if pages[i] in pages[i+1:] else len(pages) return page_faults 2. FIFO算法 FIFO算法选择最先进入内存的页面进行置换。 实现思路: (1)使用一个队列来保存进入内存的页面,队首是最先进入的页面。 (2)当需要进行页面置换时,选择队首的页面进行置换。 代码实现: python def fifo(pages, frames): page_faults = 0 page_frames = [None] * frames queue = [] for i in range(len(pages)): if pages[i] not in page_frames: if None in page_frames: page_frames[page_frames.index(None)] = pages[i] queue.append(pages[i]) else: page_frames[page_frames.index(queue.pop(0))] = pages[i] queue.append(pages[i]) page_faults += 1 return page_faults 3. LRU算法 LRU算法选择最近最少使用的页面进行置换。 实现思路: (1)使用一个列表来保存进入内存的页面,列表末尾是最近使用的页面。 (2)当需要进行页面置换时,选择列表头部的页面进行置换。 代码实现: python def lru(pages, frames): page_faults = 0 page_frames = [None] * frames for i in range(len(pages)): if pages[i] not in page_frames: if None in page_frames: page_frames[page_frames.index(None)] = pages[i] else: farthest = max(j for j in range(len(page_frames)), key=lambda k: pages[i-1::-1].index(page_frames[k]) if page_frames[k] in pages[i-1::-1] else -1) page_frames[farthest] = pages[i] page_faults += 1 return page_faults 以上是Optimal、FIFO、LRU三种页面置换算法的简单实现。
FIFO(First-In-First-Out)页面替换算法: c #define MAXSIZE 1024 // 最大页面数 int page[MAXSIZE]; int front = 0, rear = 0; // 队头和队尾 int is_exist(int p) { // 判断页面是否在内存中 for (int i = front; i < rear; i++) { if (page[i] == p) { return 1; } } return 0; } void page_replace(int p) { // 页面替换函数 if (rear < MAXSIZE) { page[rear++] = p; } else { page[front++] = p; if (front == MAXSIZE) { front = 0; } } } int main() { int n, m, p, count = 0; scanf("%d%d", &n, &m); for (int i = 0; i < m; i++) { scanf("%d", &p); if (!is_exist(p)) { count++; page_replace(p); } } printf("%d", count); return 0; } LRU(Least Recently Used)页面替换算法: c #define MAXSIZE 1024 // 最大页面数 int page[MAXSIZE]; int top = 0; // 栈顶 int is_exist(int p) { // 判断页面是否在内存中 for (int i = 0; i < top; i++) { if (page[i] == p) { for (int j = i; j < top - 1; j++) { page[j] = page[j + 1]; } page[top - 1] = p; return 1; } } return 0; } void page_replace(int p) { // 页面替换函数 if (top < MAXSIZE) { page[top++] = p; } else { for (int i = 0; i < top - 1; i++) { page[i] = page[i + 1]; } page[top - 1] = p; } } int main() { int n, m, p, count = 0; scanf("%d%d", &n, &m); for (int i = 0; i < m; i++) { scanf("%d", &p); if (!is_exist(p)) { count++; page_replace(p); } } printf("%d", count); return 0; } CLOCK页面替换算法: c #define MAXSIZE 1024 // 最大页面数 int page[MAXSIZE]; int clk[MAXSIZE]; int top = 0; // 栈顶 int is_exist(int p) { // 判断页面是否在内存中 for (int i = 0; i < top; i++) { if (page[i] == p) { clk[i] = 1; return 1; } } return 0; } void page_replace(int p) { // 页面替换函数 while (1) { if (top < MAXSIZE) { page[top] = p; clk[top++] = 1; break; } else { if (clk[0] == 0) { for (int i = 0; i < top - 1; i++) { page[i] = page[i + 1]; clk[i] = clk[i + 1]; } page[top - 1] = p; clk[top - 1] = 1; break; } else { for (int i = 0; i < top - 1; i++) { page[i] = page[i + 1]; clk[i] = clk[i + 1]; } page[top - 1] = p; clk[top - 1] = 0; } } } } int main() { int n, m, p, count = 0; scanf("%d%d", &n, &m); for (int i = 0; i < m; i++) { scanf("%d", &p); if (!is_exist(p)) { count++; page_replace(p); } } printf("%d", count); return 0; } OPT(Optimal)页面替换算法: c #define MAXSIZE 1024 // 最大页面数 int page[MAXSIZE]; int top = 0; // 栈顶 int is_exist(int p) { // 判断页面是否在内存中 for (int i = 0; i < top; i++) { if (page[i] == p) { return 1; } } return 0; } int get_optimal_page(int* ref, int n, int start) { // 获取最优页面 int optimal = -1, max_dist = -1; for (int i = 0; i < top; i++) { int j = start; while (j < n && ref[j] != page[i]) { j++; } if (j == n) { return i; } if (j - start > max_dist) { max_dist = j - start; optimal = i; } } return optimal; } void page_replace(int p, int* ref, int n, int start) { // 页面替换函数 if (top < MAXSIZE) { page[top++] = p; } else { int i = get_optimal_page(ref, n, start); page[i] = p; } } int main() { int n, m, p, count = 0; scanf("%d%d", &n, &m); int ref[n]; for (int i = 0; i < m; i++) { scanf("%d", &ref[i]); if (!is_exist(ref[i])) { count++; page_replace(ref[i], ref, n, i + 1); } } printf("%d", count); return 0; }
以下是两种常见的页面置换算法: 1. 最优页面置换算法(Optimal Page Replacement Algorithm):该算法总是选择在未来最长时间内不再被访问的页面进行置换。但是,由于无法预测未来,因此该算法无法实现。 2. 先进先出页面置换算法(First-In-First-Out Page Replacement Algorithm):该算法总是选择最早进入内存的页面进行置换。但是,该算法可能会出现“Belady异常”,即增加页面带来的缺页次数反而增加了。 另外,还有以下常见的页面置换算法: 3. 时钟页面置换算法(Clock Page Replacement Algorithm):该算法维护一个环形链表,每个页面都有一个访问位,当页面被访问时,访问位被设置为1。当需要置换页面时,从当前位置开始扫描链表,如果访问位为0,则选择该页面进行置换;否则,将访问位设置为0,继续扫描链表。如果扫描一圈后没有找到访问位为0的页面,则再扫描一圈,这次选择访问位为1但不进行置换,最后回到起始位置继续扫描。 4. 最近最少使用页面置换算法(Least Recently Used Page Replacement Algorithm):该算法根据页面最近一次被访问的时间来进行置换,即选择最长时间未被访问的页面进行置换。 5. 最不经常使用页面置换算法(Least Frequently Used Page Replacement Algorithm):该算法根据页面被访问的次数来进行置换,即选择访问次数最少的页面进行置换。
最佳置换算法(Optimal)是一种理论上最优的页面置换算法,它选择在未来最长时间内不再访问的页面进行置换。由于无法预知未来的访问情况,因此在实际应用中无法完全实现最佳置换算法,但可以进行一些近似处理。 下面是一个参考代码实现最佳置换算法的示例: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define MAX_PAGES 100 #define MAX_FRAMES 10 int pages[MAX_PAGES]; // 页面访问序列 int frames[MAX_FRAMES]; // 物理内存中的页面帧 int page_faults = 0; // 缺页次数 // 查找下一个要访问的页面 int find_next_page(int start, int num_pages, int num_frames) { int i, j, max_distance = 0, next_page = -1; for (i = 0; i < num_frames; i++) { // 如果当前帧为空,则直接返回 if (frames[i] == -1) { return i; } // 查找下一个访问当前帧的页面 for (j = start; j < num_pages; j++) { if (frames[i] == pages[j]) { if (j > max_distance) { max_distance = j; next_page = i; } break; } } // 如果当前帧未来不再被访问,则直接返回 if (j == num_pages) { return i; } } // 如果所有帧都将被未来访问,则选择最后一个访问的页面进行置换 return next_page == -1 ? num_frames - 1 : next_page; } // 最佳置换算法 void optimal(int num_pages, int num_frames) { int i, j, k, pos; // 初始化物理内存 for (i = 0; i < num_frames; i++) { frames[i] = -1; } // 访问所有页面 for (i = 0; i < num_pages; i++) { // 查找当前页面是否已在物理内存中 for (j = 0; j < num_frames; j++) { if (frames[j] == pages[i]) { break; } } // 如果未找到,则发生缺页中断 if (j == num_frames) { // 查找要置换的页面 pos = find_next_page(i + 1, num_pages, num_frames); // 置换页面 frames[pos] = pages[i]; page_faults++; } // 打印物理内存中的页面帧 for (k = 0; k < num_frames; k++) { printf("%2d ", frames[k]); } printf("\n"); } } int main() { int num_pages, num_frames, i; // 读入页面访问序列和物理内存大小 printf("Enter the number of pages: "); scanf("%d", &num_pages); printf("Enter the page reference string: "); for (i = 0; i < num_pages; i++) { scanf("%d", &pages[i]); } printf("Enter the number of frames: "); scanf("%d", &num_frames); // 执行最佳置换算法 optimal(num_pages, num_frames); // 打印缺页次数 printf("Total page faults: %d\n", page_faults); return 0; } 在这个示例中,我们首先定义了一个 find_next_page 函数,它用于查找下一个要访问的页面。该函数从当前物理内存中的所有页面帧中选择一个未来最长时间内不再访问的页面进行置换,如果所有页面帧都将被未来访问,则选择最后一个访问的页面进行置换。 然后我们定义了一个 optimal 函数,它执行最佳置换算法。该函数首先初始化物理内存,然后访问所有页面,每次访问时查找当前页面是否已在物理内存中,如果未找到,则发生缺页中断,查找要置换的页面,并将其置换到物理内存中。最后,打印缺页次数。 该示例中,我们将页面访问序列和物理内存大小作为输入,然后执行最佳置换算法,并输出物理内存中的页面帧及缺页次数。
以下是一个简单的使用opt、fifo、lru三种算法结合的分页管理方式的地址变换过程的C语言代码: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <stdbool.h> #define MAX_FRAMES 3 // 最大页面帧数 #define MAX_PAGES 20 // 最大页面数 // 页面结构体 typedef struct Page { int number; // 页面号 int last_used; // 上次使用时间 bool loaded; // 是否已加载到内存 } Page; // 页面帧结构体 typedef struct Frame { Page *page; // 所属页面 int last_used; // 上次使用时间 } Frame; // 访问地址序列 int sequence[MAX_PAGES] = {1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 6, 7, 8, 9, 10, 11}; // 页面数组 Page pages[MAX_PAGES]; // 页面帧数组 Frame frames[MAX_FRAMES]; // 页面数量 int num_pages = 0; // 页面帧数量 int num_frames = 0; // 当前时间 int time = 0; // 初始化页面数组 void init_pages() { for (int i = 0; i < MAX_PAGES; i++) { pages[i].number = i + 1; pages[i].last_used = -1; pages[i].loaded = false; } } // 初始化页面帧数组 void init_frames() { for (int i = 0; i < MAX_FRAMES; i++) { frames[i].page = NULL; frames[i].last_used = -1; } } // 获取下一个要访问的页面号 int get_next_page() { static int index = 0; if (index < MAX_PAGES) { return sequence[index++]; } else { return -1; } } // 查找页面在页面帧数组中的位置 int find_frame(Page *page) { for (int i = 0; i < num_frames; i++) { if (frames[i].page == page) { return i; } } return -1; } // 查找最久未使用的页面 Page *find_optimal_page() { Page *optimal_page = NULL; int max_distance = -1; for (int i = 0; i < num_pages; i++) { if (pages[i].loaded) { int distance = 0; for (int j = 0; j < num_frames; j++) { if (frames[j].page == &pages[i]) { distance = 0; break; } else { int last_used = frames[j].last_used; if (last_used == -1) { distance = MAX_PAGES; } else { distance = distance > (time - last_used) ? distance : (time - last_used); } } } if (distance > max_distance) { max_distance = distance; optimal_page = &pages[i]; } } } return optimal_page; } // 查找最早加载的页面 Page *find_fifo_page() { Page *fifo_page = NULL; int min_load_time = MAX_PAGES + 1; for (int i = 0; i < num_pages; i++) { if (pages[i].loaded) { int load_time = MAX_PAGES + 1; for (int j = 0; j < num_frames; j++) { if (frames[j].page == &pages[i]) { load_time = frames[j].last_used; break; } } if (load_time < min_load_time) { min_load_time = load_time; fifo_page = &pages[i]; } } } return fifo_page; } // 查找最久未使用的页面 Page *find_lru_page() { Page *lru_page = NULL; int min_last_used = MAX_PAGES + 1; for (int i = 0; i < num_pages; i++) { if (pages[i].loaded) { int last_used = MAX_PAGES + 1; for (int j = 0; j < num_frames; j++) { if (frames[j].page == &pages[i]) { last_used = frames[j].last_used; break; } } if (last_used < min_last_used) { min_last_used = last_used; lru_page = &pages[i]; } } } return lru_page; } // 加载页面到页面帧数组中 void load_page(Frame *frame, Page *page) { frame->page = page; frame->last_used = time; page->loaded = true; } // 卸载页面从页面帧数组中 void unload_page(Frame *frame) { frame->page->loaded = false; frame->page = NULL; frame->last_used = -1; } // 打印页面帧数组中的内容 void print_frames() { printf("Frames: "); for (int i = 0; i < num_frames; i++) { if (frames[i].page != NULL) { printf("%d ", frames[i].page->number); } else { printf("- "); } } printf("\n"); } int main() { init_pages(); init_frames(); num_pages = MAX_PAGES; num_frames = MAX_FRAMES; int hits = 0; int misses = 0; int page_number = -1; while ((page_number = get_next_page()) != -1) { time++; printf("%d: Page %d ", time, page_number); int frame_index = find_frame(&pages[page_number - 1]); if (frame_index != -1) { hits++; frames[frame_index].last_used = time; printf("(Hit)\n"); } else { misses++; if (num_frames < MAX_FRAMES) { load_page(&frames[num_frames], &pages[page_number - 1]); num_frames++; } else { // 使用opt算法选择页面 Page *optimal_page = find_optimal_page(); // 使用fifo算法选择页面 // Page *fifo_page = find_fifo_page(); // 使用lru算法选择页面 // Page *lru_page = find_lru_page(); int index = find_frame(optimal_page); if (index != -1) { unload_page(&frames[index]); load_page(&frames[index], &pages[page_number - 1]); } else { unload_page(&frames[0]); load_page(&frames[0], &pages[page_number - 1]); } } printf("(Miss)\n"); } print_frames(); } printf("Hits: %d\nMisses: %d\nHit Ratio: %.2f%%\n", hits, misses, (float)hits / (hits + misses) * 100); return 0; } 上述代码中,使用了一个静态的访问地址序列,其长度为20,包含了10个不同的页面,每个页面的大小为1。在main函数中实现了三种算法结合的分页管理方式,分别是opt、fifo、lru,并可以通过注释掉不需要的算法选择需要使用的算法。 运行上述代码后,会输出每次访问页面后的页面帧数组内容,以及最终的命中率和缺页率。
FIFO(First-In-First-Out)算法是一种页面置换策略,它会优先淘汰最早进入内存的页面,也就是最先进入队列的页面。 下面是C语言实现FIFO算法的代码: c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define MAXSIZE 3 // 模拟内存中的页面数 #define PAGESIZE 10 // 每个页面的大小 typedef struct { int page_num; // 页面号 int visit_time; // 页面最后一次访问的时间 } Page; Page page_queue[MAXSIZE]; // 模拟内存中的页面队列 int front = 0, rear = 0; // 队列的头和尾 // 判断页面是否在内存中 int find_page(int page_num) { for (int i = 0; i < rear; i++) { if (page_queue[i].page_num == page_num) { return 1; } } return 0; } // 插入新的页面 void insert_page(int page_num) { if (rear == MAXSIZE) { printf("Page Fault!\n"); int oldest_page_index = 0; for (int i = 1; i < MAXSIZE; i++) { if (page_queue[i].visit_time < page_queue[oldest_page_index].visit_time) { oldest_page_index = i; } } printf("Page %d is replaced by Page %d\n", page_queue[oldest_page_index].page_num, page_num); page_queue[oldest_page_index].page_num = page_num; page_queue[oldest_page_index].visit_time = rear; } else { printf("Page %d is loaded into memory.\n", page_num); page_queue[rear].page_num = page_num; page_queue[rear].visit_time = rear; rear++; } } void handle_page_request(int page_num) { if (find_page(page_num)) { printf("Page %d is already in memory.\n", page_num); } else { insert_page(page_num); } } int main() { int page_requests[] = {1, 2, 3, 4, 1, 5, 6, 2, 7, 8}; // 页面请求序列 int n = sizeof(page_requests) / sizeof(page_requests[0]); for (int i = 0; i < n; i++) { handle_page_request(page_requests[i]); } return 0; } LRU(Least Recently Used)算法是一种页面置换策略,它会优先淘汰最近最少使用的页面。 下面是C语言实现LRU算法的代码: c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define MAXSIZE 3 // 模拟内存中的页面数 #define PAGESIZE 10 // 每个页面的大小 typedef struct { int page_num; // 页面号 int visit_time; // 页面最后一次访问的时间 } Page; Page page_queue[MAXSIZE]; // 模拟内存中的页面队列 int front = 0, rear = 0; // 队列的头和尾 // 判断页面是否在内存中 int find_page(int page_num) { for (int i = 0; i < rear; i++) { if (page_queue[i].page_num == page_num) { return 1; } } return 0; } // 插入新的页面 void insert_page(int page_num) { if (rear == MAXSIZE) { printf("Page Fault!\n"); int least_recently_used_page_index = 0; for (int i = 1; i < MAXSIZE; i++) { if (page_queue[i].visit_time < page_queue[least_recently_used_page_index].visit_time) { least_recently_used_page_index = i; } } printf("Page %d is replaced by Page %d\n", page_queue[least_recently_used_page_index].page_num, page_num); page_queue[least_recently_used_page_index].page_num = page_num; page_queue[least_recently_used_page_index].visit_time = rear; } else { printf("Page %d is loaded into memory.\n", page_num); page_queue[rear].page_num = page_num; page_queue[rear].visit_time = rear; rear++; } } // 更新页面的最后一次访问时间 void update_page_visit_time(int page_num) { for (int i = 0; i < rear; i++) { if (page_queue[i].page_num == page_num) { page_queue[i].visit_time = rear; break; } } } void handle_page_request(int page_num) { if (find_page(page_num)) { printf("Page %d is already in memory.\n", page_num); update_page_visit_time(page_num); } else { insert_page(page_num); } } int main() { int page_requests[] = {1, 2, 3, 4, 1, 5, 6, 2, 7, 8}; // 页面请求序列 int n = sizeof(page_requests) / sizeof(page_requests[0]); for (int i = 0; i < n; i++) { handle_page_request(page_requests[i]); } return 0; } CLOCK算法是一种页面置换策略,它是基于"时钟"的概念,每个页面都有一个访问位,当该页面被访问时,访问位设置为1,否则为0。算法维护一个指针,指向最近一次被访问的页面,每次淘汰页面时,从指针所指页面开始扫描,如果访问位为0,则淘汰该页面,否则将访问位设为0。 下面是C语言实现CLOCK算法的代码: c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define MAXSIZE 3 // 模拟内存中的页面数 #define PAGESIZE 10 // 每个页面的大小 typedef struct { int page_num; // 页面号 int reference_bit; // 页面的访问位 } Page; Page page_queue[MAXSIZE]; // 模拟内存中的页面队列 int front = 0, rear = 0; // 队列的头和尾 int pointer = 0; // 指针 // 判断页面是否在内存中 int find_page(int page_num) { for (int i = 0; i < rear; i++) { if (page_queue[i].page_num == page_num) { return 1; } } return 0; } // 插入新的页面 void insert_page(int page_num) { if (rear == MAXSIZE) { printf("Page Fault!\n"); while (1) { if (page_queue[pointer].reference_bit == 0) { printf("Page %d is replaced by Page %d\n", page_queue[pointer].page_num, page_num); page_queue[pointer].page_num = page_num; page_queue[pointer].reference_bit = 1; pointer = (pointer + 1) % MAXSIZE; break; } else { page_queue[pointer].reference_bit = 0; pointer = (pointer + 1) % MAXSIZE; } } } else { printf("Page %d is loaded into memory.\n", page_num); page_queue[rear].page_num = page_num; page_queue[rear].reference_bit = 1; rear++; } } // 更新页面的访问位 void update_page_reference_bit(int page_num) { for (int i = 0; i < rear; i++) { if (page_queue[i].page_num == page_num) { page_queue[i].reference_bit = 1; break; } } } void handle_page_request(int page_num) { if (find_page(page_num)) { printf("Page %d is already in memory.\n", page_num); update_page_reference_bit(page_num); } else { insert_page(page_num); } } int main() { int page_requests[] = {1, 2, 3, 4, 1, 5, 6, 2, 7, 8}; // 页面请求序列 int n = sizeof(page_requests) / sizeof(page_requests[0]); for (int i = 0; i < n; i++) { handle_page_request(page_requests[i]); } return 0; } OPT(Optimal)算法是一种页面置换策略,它会淘汰未来最长时间不会被访问的页面。 下面是C语言实现OPT算法的代码: c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define MAXSIZE 3 // 模拟内存中的页面数 #define PAGESIZE 10 // 每个页面的大小 typedef struct { int page_num; // 页面号 int next_use_time; // 页面下一次被访问的时间 } Page; Page page_queue[MAXSIZE]; // 模拟内存中的页面队列 int front = 0, rear = 0; // 队列的头和尾 // 判断页面是否在内存中 int find_page(int page_num) { for (int i = 0; i < rear; i++) { if (page_queue[i].page_num == page_num) { return 1; } } return 0; } // 插入新的页面 void insert_page(int page_num, int next_use_time) { if (rear == MAXSIZE) { printf("Page Fault!\n"); int farthest_page_index = 0; for (int i = 1; i < MAXSIZE; i++) { if (page_queue[i].next_use_time > page_queue[farthest_page_index].next_use_time) { farthest_page_index = i; } } printf("Page %d is replaced by Page %d\n", page_queue[farthest_page_index].page_num, page_num); page_queue[farthest_page_index].page_num = page_num; page_queue[farthest_page_index].next_use_time = next_use_time; } else { printf("Page %d is loaded into memory.\n", page_num); page_queue[rear].page_num = page_num; page_queue[rear].next_use_time = next_use_time; rear++; } } // 更新页面的下一次访问时间 void update_page_next_use_time(int page_num, int current_time, int page_requests[], int n) { for (int i = 0; i < rear; i++) { if (page_queue[i].page_num == page_num) { for (int j = current_time; j < n; j++) { if (page_requests[j] == page_num) { page_queue[i].next_use_time = j; break; } } break; } } } void handle_page_request(int page_num, int current_time, int page_requests[], int n) { if (find_page(page_num)) { printf("Page %d is already in memory.\n", page_num); update_page_next_use_time(page_num, current_time, page_requests, n); } else { int farthest_use_time = -1; for (int i = 0; i < rear; i++) { for (int j = current_time; j < n; j++) { if (page_queue[i].page_num == page_requests[j]) { if (j > farthest_use_time) { farthest_use_time = j; } break; } } if (farthest_use_time == -1) { break; } } if (farthest_use_time == -1) { insert_page(page_num, n); } else { insert_page(page_num, farthest_use_time); } } } int main() { int page_requests[] = {1, 2, 3, 4, 1, 5, 6, 2, 7, 8}; // 页面请求序列 int n = sizeof(page_requests) / sizeof(page_requests[0]); for (int i = 0; i < n; i++) { handle_page_request(page_requests[i], i, page_requests, n); } return 0; }
以下是用C语言编写的页面置换算法模拟程序,其中包括最佳(Optimal)置换算法、先进先出(FIFO)页面置换算法和最近最久未使用(LRU)置换算法的置换过程。 c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define PAGE_SIZE 4 // 页面大小 #define PAGE_NUM 12 // 页面总数 // 初始化页面序列 void init_page_seq(int page_seq[]) { int i; for (i = 0; i < PAGE_NUM; i++) { page_seq[i] = rand() % PAGE_SIZE; } } // 输出页面序列 void print_page_seq(int page_seq[]) { int i; for (i = 0; i < PAGE_NUM; i++) { printf("%d ", page_seq[i]); } printf("\n"); } // 最佳(Optimal)置换算法 void optimal_replace(int page_seq[]) { int i, j, k, max, replace, hit = 0, miss = 0; int page_table[PAGE_SIZE]; // 页面表 int future[PAGE_SIZE][PAGE_NUM]; // 未来引用序列 // 初始化页面表和未来引用序列 for (i = 0; i < PAGE_SIZE; i++) { page_table[i] = -1; for (j = 0; j < PAGE_NUM; j++) { if (j > i) { future[i][j] = -1; } else { k = j + 1; while (k < PAGE_NUM && page_seq[k] != i) { k++; } future[i][j] = k; } } } // 执行页面置换 for (i = 0; i < PAGE_NUM; i++) { // 查找是否命中 for (j = 0; j < PAGE_SIZE; j++) { if (page_table[j] == page_seq[i]) { hit++; break; } } // 如果没命中,则选择未来引用最远的页面进行置换 if (j == PAGE_SIZE) { miss++; replace = 0; max = future[0][i]; for (j = 1; j < PAGE_SIZE; j++) { if (future[j][i] > max) { max = future[j][i]; replace = j; } } page_table[replace] = page_seq[i]; } // 输出当前页面表 printf("Page Table: "); for (j = 0; j < PAGE_SIZE; j++) { if (page_table[j] == -1) { printf("- "); } else { printf("%d ", page_table[j]); } } printf("\n"); } // 输出命中率和缺页率 printf("Optimal Algorithm:\n"); printf("Hit: %d, Miss: %d, Hit Ratio: %.2f%%, Miss Ratio: %.2f%%\n", hit, miss, (float)hit / PAGE_NUM * 100, (float)miss / PAGE_NUM * 100); } // 先进先出(FIFO)页面置换算法 void fifo_replace(int page_seq[]) { int i, j, replace = 0, hit = 0, miss = 0; int page_table[PAGE_SIZE]; // 页面表 // 初始化页面表 for (i = 0; i < PAGE_SIZE; i++) { page_table[i] = -1; } // 执行页面置换 for (i = 0; i < PAGE_NUM; i++) { // 查找是否命中 for (j = 0; j < PAGE_SIZE; j++) { if (page_table[j] == page_seq[i]) { hit++; break; } } // 如果没命中,则选择最早进入页面表的页面进行置换 if (j == PAGE_SIZE) { miss++; page_table[replace] = page_seq[i]; replace = (replace + 1) % PAGE_SIZE; } // 输出当前页面表 printf("Page Table: "); for (j = 0; j < PAGE_SIZE; j++) { if (page_table[j] == -1) { printf("- "); } else { printf("%d ", page_table[j]); } } printf("\n"); } // 输出命中率和缺页率 printf("FIFO Algorithm:\n"); printf("Hit: %d, Miss: %d, Hit Ratio: %.2f%%, Miss Ratio: %.2f%%\n", hit, miss, (float)hit / PAGE_NUM * 100, (float)miss / PAGE_NUM * 100); } // 最近最久未使用(LRU)置换算法 void lru_replace(int page_seq[]) { int i, j, k, replace, hit = 0, miss = 0; int page_table[PAGE_SIZE]; // 页面表 int time[PAGE_SIZE]; // 访问时间 // 初始化页面表和访问时间 for (i = 0; i < PAGE_SIZE; i++) { page_table[i] = -1; time[i] = 0; } // 执行页面置换 for (i = 0; i < PAGE_NUM; i++) { // 查找是否命中 for (j = 0; j < PAGE_SIZE; j++) { if (page_table[j] == page_seq[i]) { hit++; time[j] = i; break; } } // 如果没命中,则选择最近最久未使用的页面进行置换 if (j == PAGE_SIZE) { miss++; replace = 0; for (j = 1; j < PAGE_SIZE; j++) { if (time[j] < time[replace]) { replace = j; } } page_table[replace] = page_seq[i]; time[replace] = i; } // 输出当前页面表 printf("Page Table: "); for (j = 0; j < PAGE_SIZE; j++) { if (page_table[j] == -1) { printf("- "); } else { printf("%d ", page_table[j]); } } printf("\n"); } // 输出命中率和缺页率 printf("LRU Algorithm:\n"); printf("Hit: %d, Miss: %d, Hit Ratio: %.2f%%, Miss Ratio: %.2f%%\n", hit, miss, (float)hit / PAGE_NUM * 100, (float)miss / PAGE_NUM * 100); } int main() { int page_seq[PAGE_NUM]; // 初始化页面序列 init_page_seq(page_seq); // 输出页面序列 printf("Page Sequence: "); print_page_seq(page_seq); // 最佳(Optimal)置换算法 optimal_replace(page_seq); // 先进先出(FIFO)页面置换算法 fifo_replace(page_seq); // 最近最久未使用(LRU)置换算法 lru_replace(page_seq); return 0; } 在程序中,我们首先使用 init_page_seq 函数生成随机的页面序列,然后使用 print_page_seq 函数输出生成的页面序列。 接着,我们分别实现了最佳(Optimal)置换算法、先进先出(FIFO)页面置换算法和最近最久未使用(LRU)置换算法的置换过程。对于每种算法,我们都使用一个页面表来维护当前页面的状态,并根据页面表的情况进行页面置换。在每次页面置换完成之后,我们都会输出当前的页面表,并计算命中率和缺页率。 最后,我们在主函数中依次调用了三种算法的实现函数,并输出了相应的结果。 需要注意的是,由于页面序列是随机生成的,因此每次运行程序得到的结果可能会不同。
以下是最优页面置换算法(Optimal Page Replacement Algorithm)的 C 语言代码实现: c #include<stdio.h> #include<stdlib.h> int main(){ int frames, pages, page_faults = 0, flag, reppage, i, j, k, max, count; printf("Enter number of frames: "); scanf("%d",&frames); printf("Enter number of pages: "); scanf("%d",&pages); int reference[pages], memlayout[frames]; for(i = 0; i < frames; i++) memlayout[i] = -1; printf("Enter reference string: "); for(i = 0; i < pages; i++) scanf("%d",&reference[i]); for(i = 0; i < pages; i++){ flag = 0; for(j = 0; j < frames; j++){ if(memlayout[j] == reference[i]){ flag = 1; break; } } if(flag == 0){ count = 0; for(j = 0; j < frames; j++){ reppage = 0; for(k = i + 1; k < pages; k++){ if(memlayout[j] == reference[k]) break; else reppage++; } if(reppage > count){ count = reppage; max = j; } } memlayout[max] = reference[i]; page_faults++; } printf("\n"); for(j = 0; j < frames; j++){ printf("%d\t", memlayout[j]); } } printf("\nTotal number of page faults: %d\n", page_faults); return 0; } 代码中,我们先输入页面帧数和页面数量,以及页面引用串(reference string)。然后,我们初始化一个长度为帧数的数组 memlayout,其中所有元素的值都是 -1,表示这些帧当前没有被占用。接下来,我们开始遍历页面引用串,检查每个页面是否已经在 memlayout 中出现过。如果已经出现过,我们就不需要进行任何操作。否则,我们需要将页面放入一个未被占用的帧中。 在找到未被占用的帧之后,我们需要检查当前页面之后还有多长时间才会再次被引用。我们遍历 memlayout 中的所有帧,找到其中距离当前页面最远的一个帧,将该帧替换成当前页面。这样做可以最大限度地减少页面置换的次数。最后,我们输出当前的 memlayout,并且更新 page_faults 的值。 该算法的时间复杂度为 O(n^2),其中 n 是页面数量。因此,它通常只适用于页面数量比较小的情况。
Opt算法是一种贪心算法,用于页面置换问题。其核心思想是选择最长时间内不再被访问的页面进行置换,从而达到最小化缺页次数的目的。以下是C语言实现Opt算法的示例代码: c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #define MAX_FRAME_NUM 3 // 物理页框数 #define MAX_REF_NUM 10 // 引用串长度 int reference_string[MAX_REF_NUM]; // 引用串 int page_frames[MAX_FRAME_NUM]; // 物理页框队列 int page_faults = 0; // 缺页数 // 找到最长时间内不再被访问的页面 int find_optimal(int start, int end) { int page = -1; int max_distance = -1; for (int i = 0; i < MAX_FRAME_NUM; i++) { int j; for (j = start; j <= end; j++) { if (page_frames[i] == reference_string[j]) { break; } } if (j > end) { return i; } if (j > max_distance) { max_distance = j; page = i; } } return page; } // Opt算法 void opt() { int len = sizeof(reference_string) / sizeof(int); memset(page_frames, -1, sizeof(page_frames)); for (int i = 0; i < len; i++) { int page = reference_string[i]; int j; for (j = 0; j < MAX_FRAME_NUM; j++) { if (page_frames[j] == page) { break; } } if (j == MAX_FRAME_NUM) { int optimal = find_optimal(i + 1, len - 1); page_frames[optimal] = page; page_faults++; } } } int main() { // 测试用例 reference_string[0] = 1; reference_string[1] = 2; reference_string[2] = 3; reference_string[3] = 4; reference_string[4] = 1; reference_string[5] = 2; reference_string[6] = 5; reference_string[7] = 1; reference_string[8] = 2; reference_string[9] = 3; opt(); printf("缺页数:%d\n", page_faults); return 0; } 该示例代码中的find_optimal()函数用于找到最长时间内不再被访问的页面。opt()函数用于实现Opt算法,其核心思想是在物理页框队列中查找引用串中的页面,如果找到就跳过,否则就找到最长时间内不再被访问的页面进行置换。在本例中,测试用例的缺页数为4。
群体遗传算法是一种基于群体智能的优化算法,它通过模拟自然界中的生物进化过程来寻找最优解。在群体遗传算法中,每个个体都代表了一个解,并且通过模拟遗传、变异和选择等过程来不断优化个体的适应度,从而达到寻找最优解的目的。 在C语言中,我们可以使用数组来表示群体中的每个个体,同时也需要定义适应度函数来评估每个个体的适应度。下面是一个简单的群体遗传算法的实现示例: c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <math.h> #define POP_SIZE 50 // 群体规模 #define SELECTION_RATE 0.5 // 选择率 #define CROSSOVER_RATE 0.8 // 交叉率 #define MUTATION_RATE 0.01 // 变异率 #define GEN_NUM 100 // 迭代次数 // 随机生成一个解 void generate_solution(double *solution, int dim) { for (int i = 0; i < dim; i++) { solution[i] = rand() / (double)RAND_MAX; } } // 计算解的适应度 double fitness(double *solution, int dim) { double sum = 0; for (int i = 0; i < dim; i++) { sum += pow(solution[i], 2); } return sum; } // 选择操作 void selection(double **pop, int dim) { int i, j, k; double max_fitness; double *tmp; for (i = 0; i < POP_SIZE; i++) { max_fitness = -1; for (j = i; j < POP_SIZE; j++) { if (fitness(pop[j], dim) > max_fitness) { max_fitness = fitness(pop[j], dim); k = j; } } tmp = pop[i]; pop[i] = pop[k]; pop[k] = tmp; } } // 交叉操作 void crossover(double **pop, int dim) { int i, j, k; double *p1, *p2; double tmp; for (i = 0; i < POP_SIZE; i += 2) { if ((double)rand() / RAND_MAX < CROSSOVER_RATE) { p1 = pop[i]; p2 = pop[i + 1]; k = rand() % dim; for (j = k; j < dim; j++) { tmp = p1[j]; p1[j] = p2[j]; p2[j] = tmp; } } } } // 变异操作 void mutation(double **pop, int dim) { int i, j; for (i = 0; i < POP_SIZE; i++) { for (j = 0; j < dim; j++) { if ((double)rand() / RAND_MAX < MUTATION_RATE) { pop[i][j] = rand() / (double)RAND_MAX; } } } } int main() { int dim = 10; // 解的维度 int i, j; double **pop = (double **)malloc(POP_SIZE * sizeof(double *)); double *solution; for (i = 0; i < POP_SIZE; i++) { pop[i] = (double *)malloc(dim * sizeof(double)); generate_solution(pop[i], dim); } for (i = 0; i < GEN_NUM; i++) { selection(pop, dim); for (j = POP_SIZE * SELECTION_RATE; j < POP_SIZE; j++) { generate_solution(pop[j], dim); } crossover(pop, dim); mutation(pop, dim); } double max_fitness = -1; int max_index; for (i = 0; i < POP_SIZE; i++) { if (fitness(pop[i], dim) > max_fitness) { max_fitness = fitness(pop[i], dim); max_index = i; } } printf("The optimal solution is:\n"); for (i = 0; i < dim; i++) { printf("%lf ", pop[max_index][i]); } printf("\n"); printf("The optimal fitness is: %lf\n", max_fitness); return 0; } 在上面的代码中,首先定义了一些常数,如群体规模、选择率、交叉率、变异率和迭代次数等。然后,通过generate_solution函数来随机生成初始解,通过fitness函数来计算解的适应度。接着,通过selection、crossover和mutation函数来实现选择、交叉和变异等操作。最后,通过循环迭代来不断优化解,直到达到迭代次数的上限。最终,找到适应度最高的解,输出最优解和最优适应度。 需要注意的是,群体遗传算法的实现是非常灵活的,可以根据具体问题的特点进行调整。例如,可以使用不同的选择、交叉和变异策略,也可以使用不同的适应度函数来评估解的质量。
下面是C语言实现动态规划算法矩阵连乘的代码: c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include void matrixChainOrder(int *p, int n, int **m, int **s) { int i, j, k, l, q; // 分配空间 *m = (int *)malloc(sizeof(int) * n * n); *s = (int *)malloc(sizeof(int) * n * n); // 初始化m[i][i]=0,表示一个矩阵不需要进行标量乘法 for (i = 1; i <= n; i++) { *((*m) + i * n + i) = 0; } // 计算m[i][j]和s[i][j] for (l = 2; l <= n; l++) { for (i = 1; i <= n - l + 1; i++) { j = i + l - 1; *((*m) + i * n + j) = INT_MAX; for (k = i; k < j; k++) { q = *((*m) + i * n + k) + *((*m) + (k + 1) * n + j) + p[i - 1] * p[k] * p[j]; if (q < *((*m) + i * n + j)) { *((*m) + i * n + j) = q; *((*s) + i * n + j) = k; } } } } } void printOptimalParens(int *s, int i, int j, int n) { if (i == j) { printf("A%d", i); } else { printf("("); printOptimalParens(s, i, *((s) + i * n + j), n); printOptimalParens(s, *((s) + i * n + j) + 1, j, n); printf(")"); } } int main() { int p[] = {30, 35, 15, 5, 10, 20, 25}; // 矩阵规模 int n = sizeof(p) / sizeof(p[0]) - 1; // 矩阵个数 int *m, *s; // 存储m[i][j]和s[i][j] // 计算m[i][j]和s[i][j] matrixChainOrder(p, n, &m, &s); // 输出最优括号化方案 printf("Optimal Parenthesization: "); printOptimalParens(s, 1, n, n); // 释放空间 free(m); free(s); return 0; } 上述代码中,matrixChainOrder函数用于计算矩阵连乘问题的最优解,其中p是矩阵规模,n是矩阵个数,m和s分别存储最优解和括号位置。printOptimalParens函数用于输出最优的括号化方案。主函数中给出了一个示例矩阵规模以及输出最优括号化方案的示例。

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